Аргон - Argon

Аргон,  18 Ar
Флакон с фиолетовым светящимся газом
Аргон
Произношение / Ɑːr ɡ ɒ п / ( АР -угольник )
Появление бесцветный газ, проявляющий лилово-лиловое свечение при помещении в электрическое поле
Стандартный атомный вес A r, std (Ar) [ 39,792 39.963 ] условный:  39,95
Аргон в периодической таблице
Водород Гелий
Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон
Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон
Калий Кальций Скандий Титана Ванадий Хром Марганец Утюг Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон
Ne

Ar

Kr
хлор аргон калий
Атомный номер ( Z ) 18
Группа группа 18 (благородные газы)
Период период 3
Блокировать   p-блок
Электронная конфигурация [ Ne ] 3s 2 3p 6
Электронов на оболочку 2, 8, 8
Физические свойства
Фаза на  СТП газ
Температура плавления 83,81  К (-189,34 ° С, -308,81 ° F)
Точка кипения 87,302 К (-185,848 ° С, -302,526 ° F)
Плотность (при СТП) 1,784 г / л
в жидком состоянии (при  bp ) 1,3954 г / см 3
Тройная точка 83,8058 К, 68,89 кПа
Критическая точка 150,687 К, 4,863 МПа
Теплота плавления 1,18  кДж / моль
Теплота испарения 6,53 кДж / моль
Молярная теплоемкость 20,85 Дж / (моль · К)
Давление газа
P   (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс.
при  T   (K)   47 53 61 71 87
Атомные свойства
Состояния окисления 0
Электроотрицательность Шкала Полинга: нет данных
Энергии ионизации
Ковалентный радиус 106 ± 10  часов вечера
Радиус Ван-дер-Ваальса 188 вечера
Цветные линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии аргона
Прочие свойства
Естественное явление изначальный
Кристальная структура гранецентрированная кубическая (ГЦК)
Гранецентрированная кубическая кристаллическая структура аргона
Скорость звука 323 м / с (газ, при 27 ° C)
Теплопроводность 17,72 × 10 - 3   Вт / (м · К)
Магнитный заказ диамагнитный
Магнитная восприимчивость −19,6 · 10 −6  см 3 / моль
Количество CAS 7440-37-1
История
Открытие и первая изоляция Лорд Рэлей и Уильям Рамзи (1894)
Основные изотопы аргона
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Продукт
36 Ar 0,334% стабильный
37 Ar син 35 дн. ε 37 Cl
38 Ar 0,063% стабильный
39 Ar след 269 ​​лет β - 39 К
40 Ar 99,604% стабильный
41 Ar син 109,34 мин. β - 41 К
42 Ar син 32,9 года β - 42 К
36
Ar
и 38
Содержание Ar в природных образцах может достигать 2,07% и 4,3% соответственно. 40
Остаток в таких случаях составляет
Ar , содержание которого может составлять всего 93,6%.
Категория  Категория: Аргон
| Рекомендации

Аргон - химический элемент с символом   Ar и атомным номером  18. Он находится в 18-й группе периодической таблицы и является благородным газом . Аргон является третьим по содержанию газом в атмосфере Земли , его содержание составляет 0,934% (9340 частей на миллион по объему ). Его более чем в два раза больше, чем водяного пара (в среднем около 4000 ppmv, но сильно варьируется), в 23 раза больше, чем у углекислого газа (400 ppmv), и более чем в 500 раз больше, чем у неона (18 ppmv). Аргон - самый распространенный благородный газ в земной коре , составляющий 0,00015% коры.

Почти все аргона в атмосфере Земли является радиогенный аргон-40 , полученный от распада на калий-40 в земной коре. Во Вселенной аргон-36 на сегодняшний день является наиболее распространенным изотопом аргона , так как он наиболее легко образуется при звездном нуклеосинтезе в сверхновых .

Название «аргон» происходит от греческого слова ἀργόν , среднего единственного числа от ἀργός, означающего «ленивый» или «неактивный», как указание на тот факт, что элемент почти не вступает в химические реакции. Полный октет (восемь электронов) во внешней оболочке атома делает аргон стабильным и устойчивым к связыванию с другими элементами. Его температура тройной точки 83,8058  К является определяющей фиксированной точкой по Международной температурной шкале 1990 года .

Аргон извлекается промышленным способом на фракционной перегонкой из жидкого воздуха . Аргон в основном используется в качестве инертного защитного газа при сварке и других высокотемпературных промышленных процессах, где обычно инертные вещества становятся реактивными; например, в графитовых электрических печах используется атмосфера аргона для предотвращения горения графита. Аргон также используется в лампах накаливания , люминесцентном освещении и других газоразрядных трубках. Аргон создает отличительный сине-зеленый газовый лазер . Аргон также используется в стартерах люминесцентного свечения.

Характеристики

Небольшой кусочек быстро плавящегося твердого аргона

Аргон имеет примерно такую ​​же растворимость в воде, как кислород, и в 2,5 раза более растворим в воде, чем азот . Аргон не имеет цвета, запаха, негорючего вещества и нетоксичен как твердое вещество, жидкость или газ. Аргон химически инертен в большинстве условий и не образует подтвержденных стабильных соединений при комнатной температуре.

Хотя аргон является благородным газом , он может образовывать некоторые соединения в различных экстремальных условиях. Был продемонстрирован фторгидрид аргона (HArF), соединение аргона с фтором и водородом , которое стабильно ниже 17 К (-256,1 ° C; -429,1 ° F). Хотя нейтральные химические соединения аргона в основном состоянии в настоящее время ограничиваются HArF, аргон может образовывать клатраты с водой, когда атомы аргона захватываются решеткой молекул воды. Ионы , такие как ArH +
, и комплексы в возбужденном состоянии , такие как ArF. Теоретический расчет предсказывает еще несколько соединений аргона, которые должны быть стабильными, но еще не синтезированы.

История

A: пробирка, B: разбавленная щелочь, C: U-образная стеклянная трубка, D: платиновый электрод

Аргон ( греч. Ἀργόν , средняя форма единственного числа от ἀργός, что означает «ленивый» или «неактивный») назван в связи с его химической неактивностью. Это химическое свойство этого первого открытого благородного газа произвело впечатление на авторов названий. Генри Кавендиш подозревал, что инертный газ является компонентом воздуха в 1785 году.

Аргон был впервые выделен из воздуха в 1894 году лордом Рэли и сэром Уильямом Рамзи в Университетском колледже Лондона путем удаления кислорода , углекислого газа , воды и азота из образца чистого воздуха. Они впервые достигли этого, повторив эксперимент Генри Кавендиша . Они захватили смесь атмосферного воздуха с дополнительным кислородом в пробирке (A) вверх ногами над большим количеством разбавленного раствора щелочи (B), который в первоначальном эксперименте Кавендиша был гидроксидом калия, и пропустили ток через провода, изолированные U-образные стеклянные трубки (CC), которые герметично закрываются вокруг электродов из платиновой проволоки, оставляя концы проволоки (DD) открытыми для газа и изолированными от раствора щелочи. Дуга питалась от батареи из пяти ячеек Гроув и катушки Румкорфа среднего размера. Щелочь поглощала оксиды азота, образующиеся при дуге, а также диоксид углерода. Они включили дугу до тех пор, пока уменьшение объема газа не перестанет наблюдаться в течение по крайней мере часа или двух, а спектральные линии азота не исчезнут при исследовании газа. Оставшийся кислород прореагировал с щелочным пирогаллатом, оставив после себя явно нереактивный газ, который они назвали аргоном.

Прежде чем изолировать газ, они определили, что азот, полученный из химических соединений, на 0,5% легче азота из атмосферы. Разница была небольшой, но достаточно важной, чтобы привлекать их внимание на многие месяцы. Они пришли к выводу, что в воздухе есть еще один газ, смешанный с азотом. Аргон также был обнаружен в 1882 году в результате независимых исследований Х. Ф. Ньюэлла и У. Н. Хартли. Каждый наблюдал новые линии в спектре излучения воздуха, которые не соответствовали известным элементам.

До 1957 года символ аргона был «A», но теперь это «Ar».

Вхождение

Аргон составляет 0,934% по объему и 1,288% по массе атмосферы Земли . Воздух является основным промышленным источником продуктов очищенного аргона. Аргон выделяют из воздуха фракционированием, чаще всего криогенной фракционной перегонкой , процессом, который также производит очищенный азот , кислород , неон , криптон и ксенон . Земная кора и морская вода содержат 1,2 и 0,45 промилле аргона соответственно.

Изотопы

Основными изотопами аргона, обнаруженными на Земле, являются: 40
Ar
(99,6%), 36
Ar
(0,34%) и 38
Ar
(0,06%). Встречающиеся в природе 40
K
с периодом полураспада 1,25 × 10 9 лет распадается до стабильной 40
Ar
(11,2%) за счет захвата электронов или эмиссии позитронов , а также до стабильной 40
Ca
(88,8%) при бета-распаде . Эти свойства и соотношения используются для определения возраста пород методом K – Ar датирования .

В атмосфере Земли, 39
Ar образуется
в результате активности космических лучей , в первую очередь нейтронного захвата 40
Ar с
последующей двухнейтронной эмиссией. В среде подповерхностного, также производится путем захвата нейтронов с помощью 39
K с
последующим испусканием протонов. 37
Ar
создается в результате захвата нейтронов с помощью 40
Са с
последующим испусканием альфа-частиц в результате подземных ядерных взрывов . Период полувыведения составляет 35 дней.

В разных местах Солнечной системы изотопный состав аргона сильно различается. Если основным источником аргона является распад 40
K
в породах, 40
Ar
будет доминирующим изотопом, как и на Земле. В аргоне, образующемся непосредственно в результате звездного нуклеосинтеза , преобладает нуклид альфа-процесса. 36
Ar
. Соответственно, в солнечном аргоне содержится 84,6% 36
Ar
(согласно измерениям солнечного ветра ), а соотношение трех изотопов 36 Ar:  38 Ar:  40 Ar в атмосферах внешних планет составляет 8400: 1600: 1. Это контрастирует с низким содержанием первичных 36
Ar
в атмосфере Земли, который составляет всего 31,5 ppmv (= 9340 ppmv × 0,337%), что сравнимо с неоном (18,18 ppmv) на Земле и с межпланетными газами, измеренными зондами .

Атмосферы Марса , Меркурия и Титана (крупнейшего спутника Сатурна ) содержат аргон, преимущественно в виде 40
Ar
, а его содержание может достигать 1,93% (Mars).

Преобладание радиогенных 40
Ar
является причиной того, что стандартный атомный вес земного аргона больше, чем у следующего элемента, калия , факт, который озадачил, когда аргон был открыт. Менделеев расположил элементы в своей периодической таблице в порядке атомного веса, но инертность аргона предполагала размещение элементов перед химически активным щелочным металлом . Генри Мозли позже решил эту проблему, показав, что периодическая таблица на самом деле организована в порядке атомных номеров (см. Историю периодической таблицы ).

Соединения

Полный октет электронов аргона указывает на полные s- и p-подоболочки. Эта полновалентная оболочка делает аргон очень стабильным и чрезвычайно устойчивым к связыванию с другими элементами. До 1962 года аргон и другие благородные газы считались химически инертными и неспособными образовывать соединения; однако с тех пор были синтезированы соединения более тяжелых благородных газов. Первое соединение аргона с пентакарбонилом вольфрама, W (CO) 5 Ar, было выделено в 1975 году. Однако в то время оно не получило широкого признания. В августе 2000 года исследователи из Хельсинкского университета образовали еще одно соединение аргона, фторгидрид аргона (HArF), направив ультрафиолетовый свет на замороженный аргон, содержащий небольшое количество фтористого водорода с иодидом цезия . Это открытие вызвало признание того, что аргон может образовывать слабосвязанные соединения, хотя и не первое. Он стабилен до 17 кельвинов (-256 ° C). Метастабильной ArCF 2+
2
дикатион, который валентное изоэлектронный с карбонильным фторидом и фосген , наблюдались в 2010 году Аргона-36 , в виде гидрида аргона ( argonium ) ионы, было обнаружено в межзвездной среде , связанную с Крабовидной туманностью сверхновой ; это была первая молекула благородного газа, обнаруженная в космосе .

Твердый гидрид аргона (Ar (H 2 ) 2 ) имеет ту же кристаллическую структуру, что и фаза Лавеса MgZn 2 . Он образуется при давлениях от 4,3 до 220 ГПа, хотя измерения комбинационного рассеяния показывают, что молекулы H 2 в Ar (H 2 ) 2 диссоциируют выше 175 ГПа.

Производство

Промышленное

Аргон извлекается промышленным способом на фракционной перегонкой из жидкого воздуха в криогенной сепарации воздуха блока; процесс отделения жидкого азота с температурой кипения 77,3 К от аргона с температурой кипения 87,3 К и жидкого кислорода с температурой кипения 90,2 К. Ежегодно во всем мире производится около 700 000 тонн аргона.

В радиоактивных распадах

40 Ar , самый распространенный изотоп аргона, образуется при распаде 40 K с периодом полураспада 1,25 · 10 9 лет в результате захвата электронов или эмиссии позитронов . По этой причине он используется при калий-аргонном датировании для определения возраста горных пород.

Приложения

Баллоны с газообразным аргоном для пожаротушения без повреждения серверного оборудования.

Аргон обладает несколькими желательными свойствами:

  • Аргон - химически инертный газ .
  • Аргон - самая дешевая альтернатива, когда азот недостаточно инертен.
  • Аргон обладает низкой теплопроводностью .
  • Аргон обладает электронными свойствами (ионизацией и / или спектром излучения), желательными для некоторых приложений.

Другие благородные газы также подходят для большинства этих применений, но аргон, безусловно, самый дешевый. Аргон стоит недорого, поскольку он естественным образом встречается в воздухе и легко получается как побочный продукт криогенного разделения воздуха при производстве жидкого кислорода и жидкого азота : основные компоненты воздуха используются в крупных промышленных масштабах. Другие благородные газы (кроме гелия ) также производятся таким образом, но аргон, безусловно, является наиболее распространенным. Основная часть применений аргона возникает просто потому, что он инертен и относительно дешев.

Промышленные процессы

Аргон используется в некоторых высокотемпературных промышленных процессах, где обычно нереактивные вещества становятся реактивными. Например, в графитовых электрических печах используется атмосфера аргона для предотвращения горения графита.

Для некоторых из этих процессов присутствие газов азота или кислорода может вызвать дефекты в материале. Аргон используется в некоторых типах дуговой сварки, таких как газовая дуговая сварка металлическим электродом и газовая дуговая сварка вольфрамом , а также при обработке титана и других реактивных элементов. Атмосфера аргона также используется для выращивания кристаллов кремния и германия .

Аргон используется в птицеводстве для удушения птиц либо для массовой выбраковки после вспышек болезней, либо как средство убоя, более гуманное, чем электрическое оглушение . Аргон плотнее воздуха и вытесняет кислород близко к земле во время удушья инертным газом . Его нереактивная природа делает его пригодным в пищевом продукте, а поскольку он заменяет кислород в мертвой птице, аргон также увеличивает срок хранения.

Иногда аргон используется для тушения пожаров, когда ценное оборудование может быть повреждено водой или пеной.

Научное исследование

Жидкий аргон используется в качестве мишени для нейтринных экспериментов и прямых поисков темной материи . Взаимодействие между гипотетическими вимпами и ядром аргона дает сцинтилляционный свет, который регистрируется фотоэлектронными умножителями . Двухфазные детекторы, содержащие газообразный аргон, используются для обнаружения ионизированных электронов, образующихся во время рассеяния вимпов на ядре. Как и большинство других сжиженных благородных газов, аргон имеет высокий сцинтилляционный световыход (около 51 фотона / кэВ), прозрачен для собственного сцинтилляционного света и относительно легко очищается. По сравнению с ксеноном , аргон дешевле и имеет отчетливый временной профиль сцинтилляции, что позволяет отделить электронные отдачи от ядерных. С другой стороны, его собственный фон бета-лучей больше из-за 39
Загрязнение аргоном , если только не используется аргон из подземных источников, в котором гораздо меньше 39
Загрязнение
Ar . Большая часть аргона в атмосфере Земли была произведена в результате захвата электронами долгоживущих 40
K
( 40
К
+ е - 40
Ar
+ ν), присутствующий в природном калии на Земле. В 39
Активность
Ar в атмосфере поддерживается за счет космогенного производства за счет реакции нокаута. 40
Ar
(n, 2n) 39
Ar
и подобные реакции. Период полураспада 39
Ар
всего 269 лет. В результате подземный Ar, защищенный камнями и водой, имеет гораздо меньше 39
Загрязнение
Ar . Детекторы темной материи, в настоящее время работающие с жидким аргоном, включают DarkSide , WArP , ArDM , microCLEAN и DEAP . Эксперименты с нейтрино включают ICARUS и MicroBooNE , оба из которых используют жидкий аргон высокой чистоты в камере временной проекции для мелкозернистого трехмерного изображения взаимодействий нейтрино.

В университете Линчёпинга, Швеция, инертный газ используется в вакуумной камере, в которую вводится плазма для ионизации металлических пленок. В результате этого процесса получается пленка, которую можно использовать для производства компьютерных процессоров. Новый процесс устранит необходимость в химических ваннах и использовании дорогих, опасных и редких материалов.

Консервант

Образец цезия упаковывают в атмосфере аргона, чтобы избежать реакции с воздухом.

Аргон используется для вытеснения воздуха, содержащего кислород и влагу, в упаковочном материале, чтобы продлить срок хранения содержимого (аргон имеет европейский код пищевой добавки E938). Воздушное окисление, гидролиз и другие химические реакции, приводящие к разложению продуктов, замедляются или полностью предотвращаются. Химические вещества высокой чистоты и фармацевтические препараты иногда упаковываются и запечатываются в аргоне.

В виноделии аргон используется в различных сферах деятельности, чтобы создать барьер против кислорода на поверхности жидкости, который может испортить вино, подпитывая как микробный метаболизм (как в случае с бактериями уксусной кислоты ), так и стандартную окислительно-восстановительную химию.

Иногда аргон используется в качестве пропеллента в аэрозольных баллончиках.

Аргон также используется в качестве консерванта для таких продуктов, как лак , полиуретан и краска, путем вытеснения воздуха для подготовки контейнера к хранению.

С 2002 года Американский национальный архив хранит важные национальные документы, такие как Декларация независимости и Конституция, в заполненных аргоном ящиках, чтобы предотвратить их разложение. Аргон предпочтительнее гелия, который использовался в предыдущие пять десятилетий, потому что газообразный гелий выходит через межмолекулярные поры в большинстве контейнеров и должен регулярно заменяться.

Лабораторное оборудование

Перчаточные боксы часто заполнены аргоном, который рециркулирует через скрубберы для поддержания атмосферы, свободной от кислорода , азота и влаги.

Аргон может использоваться в качестве инертного газа в линиях Шленка и перчаточных боксах . Аргон предпочтительнее менее дорогого азота в тех случаях, когда азот может реагировать с реагентами или аппаратом.

Аргон можно использовать в качестве газа-носителя в газовой хроматографии и масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением ; это предпочтительный газ для плазмы, используемой в спектроскопии ICP . Аргон предпочтителен для нанесения покрытий на образцы для сканирующей электронной микроскопии . Газ аргон также обычно используется для напыления тонких пленок в микроэлектронике и для очистки пластин в микротехнологиях .

Медицинское использование

В процедурах криохирургии , таких как криоабляция, используется жидкий аргон для разрушения тканей, например раковых клеток. Он используется в процедуре, называемой «коагуляция с усилением аргона», разновидностью электрохирургии пучком аргоновой плазмы . Процедура сопряжена с риском газовой эмболии и привела к смерти как минимум одного пациента.

Лазеры на синем аргоне используются в хирургии для сварки артерий, разрушения опухолей и исправления дефектов глаз.

Аргон также использовался экспериментально для замены азота в смеси для дыхания или декомпрессии, известной как Argox , для ускорения удаления растворенного азота из крови.

Освещение

Аргон газоразрядная лампа формирования символа для аргона «Ar»

Лампы накаливания заполнены аргоном, чтобы предохранить нити от окисления при высокой температуре. Он используется для определенного способа ионизации и излучения света, например, в плазменных шарах и калориметрии в экспериментальной физике элементарных частиц . Газоразрядные лампы, наполненные чистым аргоном, излучают сиреневый / фиолетовый свет; с аргоном и ртутью, синий свет. Аргон также используется в синих и зеленых аргон-ионных лазерах .

Разное использование

Аргон используется для теплоизоляции в энергосберегающих окнах . Аргон также используется в техническом подводном плавании с аквалангом для надувания сухого костюма, поскольку он инертен и имеет низкую теплопроводность.

Аргон используется в качестве топлива при разработке магнитоплазменной ракеты с переменным удельным импульсом (VASIMR). Сжатый газ аргон может расширяться для охлаждения головок ГСН некоторых версий ракеты AIM-9 Sidewinder и других ракет, в которых используются охлаждаемые головки ГСН. Газ хранится под высоким давлением .

Аргон-39 с периодом полураспада 269 лет использовался для ряда приложений, в первую очередь для датирования ледяных кернов и грунтовых вод . Кроме того, датирование калий-аргоновым и связанное с ним датирование аргон-аргоном используется для датирования осадочных , метаморфических и магматических пород .

Атлеты использовали аргон в качестве допинга для имитации гипоксических состояний. В 2014 году Всемирное антидопинговое агентство (WADA) добавило аргон и ксенон в список запрещенных веществ и методов, хотя в настоящее время нет надежного теста на злоупотребление.

Безопасность

Хотя аргон не токсичен, он на 38% плотнее воздуха и поэтому считается опасным удушающим средством в закрытых помещениях. Его трудно обнаружить, потому что он не имеет цвета, запаха и вкуса. Инцидент 1994 года, когда мужчина задохнулся после входа в заполненную аргоном секцию нефтепровода, строящуюся на Аляске , подчеркивает опасность утечки аргона из резервуара в замкнутом пространстве и подчеркивает необходимость правильного использования, хранения и обращения.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки